История систем управления световым оборудованием

Скоро Новый год. Все мы будем любоваться разноцветными гирляндами на елках и различными световыми инсталляциями на улицах города. Самое время узнать, какие технологии лежат в основе световых шоу.

На сегодняшний день для создания светового шоу не требуются большие помещения и дорогое промышленное оборудование, достаточно иметь микроконтроллеры и светодиодные ленты. Тем не менее, так было не всегда. В этой статье расскажем о краткой истории эволюции систем для создания световых шоу с зарождения и до наших дней.

Зарождение светомузыки

Оптофон Владимира Баранова. Источник

Первые мысли о совмещении света и звука зародились задолго до появления электроники. Оптический клавесин, цветовой орган, светомузыкальные композиции XX века — далеко не полный список попыток «приручить» свет для шоу.

Одним из первый электронных музыкальных инструментов, который также создавал светомузыку, можно считать оптофоническое пианино (оптофон) художника Владимира Баранова, созданное в 1916 году.

Оптофоническое пианино Баранова генерировало звуки и проецировало изображение на плоские поверхности вроде стены, потолка или киноэкрана. Внутри инструмента — набор раскрашенных Барановым дисков, фильтров, отражателей и линз. Их комбинации создавали свет, который считывался фотоэлементом, соединенным с генератором звука. В итоге получался постоянный звуковой поток, дополненный калейдоскопическим шоу вращающихся дисков.

До 1970-х годов интерес к светомузыке проявляли в основном ученые и художники.

Аналоговая эпоха

В 1970-е светомузыка становится популярна среди молодежных субкультур, в частности, в рок-культуре. Успешный опыт музыкальных групп, таких как «Pink Floyd», а также развитие радиоэлектроники и снижение стоимости компонентов привело к всплеску интереса к светомузыке. За приемлемые по тем временам деньги можно было получить примитивную «домашнюю» светомузыку для дискотеки.

Чаще всего такая светомузыка была представлена в виде светодинамических устройств, которые реализуют определенные алгоритмы и демонстрируют соответствующие световые эффекты, но не имеют прямой синхронизации с музыкой.

Светомузыка, имеющая синхронизацию со звуком, делится на две группы:

  • автоматические светомузыкальные устройства (АСМУ);
  • программируемые синхронные автоматы (ПСА).

Чаще всего автоматические светомузыкальные приборы основаны на принципах фильтрации диапазона частот в отдельные частотные каналы, которые подаются на соответствующие световые установки. «Классическое» сопоставление частот с цветами — это линейное сопоставление частот АЧХ с порядком следования цветов в видимом спектре:

  • красный — низкие частоты (диапазон до 200 Гц);
  • желтый — средне-низкие частоты (диапазон от 200 до 800 Гц);
  • зеленый — средние частоты (от 800 до 3500 Гц);
  • синий — высокие частоты (выше 3500 Гц).

В АСМУ основным «двигателем» является звуковой сигнал, а в программируемых синхронных автоматах — фантазия и профессионализм светоинженера. Проще говоря, в ПСА за синхронизацию света и музыки ответственен человек.

Изначально в сценическом освещении в качестве пульта управления (консоли) использовалась панель с большим количеством ручных потенциометров, которые управляли фонарями. Электричество подавалось от «пульта» к источникам освещения по большим силовым кабелям. Такая система была громоздкой и не самой простой в управлении.

Первым шагом в упрощении процесса стало соединение двигателей с потенциометрами. В такой схеме инженер управляет двигателями, а двигатели — потенциометрами. Громоздкую панель можно спрятать под сцену, а в руки светотехнику дать компактный пульт управления двигателями. Однако двигатели имеют ограниченную скорость, что негативно влияет на систему.

Стойки с диммерами. Источник

Вскоре появились диммеры — устройства, которые по сигналу с пульта изменяют напряжение на осветительных приборах, тем самым регулируя яркость. В аналоговую эпоху не было единого стандарта, который регламентировал общение между пультами и диммерами. Для управления использовался постоянный ток низкого напряжения, а наиболее широко распространился аналоговый интерфейс 0-10 вольт.

Советский световой пульт СУТО. Источник

Аналоговый интерфейс имел ряд проблем. Во-первых, использование низкого напряжения и одного провода на канал приводило к возникновению наводок в цепи. Во-вторых, с ростом количества устройств система становилась сложнее в обслуживании и устранении неисправностей. Использование техники разных производителей требовало дополнительных адаптеров и усилителей для согласования оборудования с разными интерфейсами.

С появлением компьютеров производители стали добавлять цифровую составляющую в пульты управления.

DMX512

Переход на «цифру» сопряжен с созданием множества проприетарных протоколов, несовместимых между собой. Такое положение дел не устраивало конечных потребителей, так как весь комплект оборудования должен был быть от одного производителя. В таких условиях необходимость общего стандарта очевидна.

Институт театральных технологий США (United States Institute for Theatre Technology, USITT) в 1986 году разработал стандарт DMX512, предназначенный для унификации общения пультов управления и конечных устройств.

Кабель с разъемом DMX512 XLR. Источник

В основе DMX512 лежит промышленный интерфейс EIA/TIA-485, более известный как RS-485. Данные отправляются в виде дифференциального сигнала, что значительно снижает влияние наводок в цепи. Стандарт предписывает использовать кабели с пятью жилами:

  • экран;
  • отрицательный сигнальный провод;
  • положительный сигнальный провод;
  • отрицательный резервный провод;
  • положительный резервный провод.

Тем не менее, ревизии стандарта 1986 и 1990 годов не определяют назначение резервной пары, поэтому допустимо ее отбросить и использовать трехжильные провода, например, микрофонный кабель. Однако фантомное питание микрофона (+48 В) способно повредить DMX-совместимое оборудование, а DMX-сигналы от консоли могут повредить микрофон. Поэтому стандарт предписывает использовать именно коннекторы XLR-5.

Одна линия DMX512 вмещает 512 каналов, то есть один провод DMX512 эквивалентен 512 проводам аналогового интерфейса 0-10 В.

Сценическое оборудование в основном многоканальное. Один канал управляет одним параметром оборудования. Так, простой RGB-прожектор будет трехканальным, где каждый канал определяет яркость соответствующей компоненты.

DMX512 поддерживает последовательное подключение устройств. Так, от пульта управления может идти одна линия, которая подключается ко входу первого устройства, а второе устройство подключается к выходному порту первого. У такого способа, однако, есть ограничения. Во-первых, суммарное «потребление» каналов не должно превышать 512 каналов. Во-вторых, на линии допустимо не более 32 устройств. Она обязательно должна заканчиваться терминатором, если в последнем устройстве нет внутренней терминации.

Оптический изолятор DMX512. Источник

Стоит отметить, что DMX512 использует низковольтное маломощное соединение для управление мощными устройствами. Высоковольтный пробой в диммере может передаться в DMX-линию и привести к порче консоли. Для предотвращения таких ситуаций был разработан оптический изолятор. Это устройство конвертирует электрические сигналы DMX в оптические, а затем сразу же конвертирует оптический сигнал обратно в электрический. Таким образом, «нежный» пульт управления электрически изолирован от конечных устройств.

Консоль предоставляет несколько DMX-портов. Каждый DMX-порт, также называемый DMX-областью (DMX Universe), предоставляет до 512 каналов. Каждый канал передает ровно один байт данных, то есть число от 0 до 255. Передача DMX-кадра с максимальной длиной занимает 23 мс, что ограничивает скорость обновления до 44 раз в секунду.

Стандарт DMX512 не изменялся с 1990 года. Однако в 1998 году Ассоциация развлекательных услуг и технологий (Entertainment Services and Technology Association, ESTA) начала пересматривать стандарт с целью попасть в стандарты ANSI. В 2004 году DMX512 был стандартизирован как DMX512-A, а затем был повторно пересмотрен в 2008. Наиболее актуальная версия на момент написания статьи — «ANSI E1.11-2008, USITT DMX512-A».

С развитием техники стали появляться устройства, имеющие более 512 каналов. Возникла потребность в разработке нового стандарта, который элегантно решит эту проблему.

DMX512 over Ethernet

Решение проблемы ограниченности DMX-линий оказалось достаточно простым. Необходимо сменить среду передачи данных на Ethernet, который уже зарекомендовал себя и используется повсеместно. Благодаря такому решению можно передавать множество DMX-областей в одном кабеле. Для подключения устройств с DMX-коннекторами используются специальные конвертеры, которые извлекают из пакетов DMX-данные и отправляют подключенным устройствам.

На данный момент существуют два конкурирующих решения по отправке DMX512 в среде Ethernet:

  • Art-Net;
  • sACN.

Рассмотрим каждый из них.

Art-Net

Компания Artistic License в 1998 году выпустила первую версию Art-Net — протокол для передачи DMX-данных через IP. В основе протокола были широковещательные сообщения, чтобы избавить пользователей от настройки сети. Art-Net I проектировалась на сетях 10 Мбит/с, которые выдерживали в среднем до 10 DMX-областей, а эффективный предел составлял 40 Мбит/с. Однако с широким распространением RGB-светодиодов количество каналов росло, и подход с широковещательными сообщениями создавал сильную нагрузку на сети.

Чтобы хоть как-то исправить эту проблему, в 2006 вышла следующая версия — Art-Net II. В основе также лежали широковещательные сообщения, но консоль сопоставляла DMX-области с конкретными устройствами и переходила к адресной рассылке. При этом предельное количество DMX-областей расширилось до 256. В следующих релизах число выросло до 32768.

Art-Net не стал официально признанным стандартом, но используется по сей день. Современная версия Art-Net IV позволяет работать с устройствами, которые поддерживают только стандартизированный протокол sACN.

ACN и sACN

Протоколы Architecture for Control Networks (ACN) и Streaming ACN (sACN) — это стандартизированный в 2006 году набор протоколов для управления развлекательным оборудованием в живых выступлениях и/или в крупных масштабах.

ACN определяет модульную сетевую архитектуру, включающую в себя два сетевых протокола, язык для описания устройств (Device Description Language, DDL) и профили для взаимодействия (E1.17 Profiles for Interoperability). Набор протоколов ACN изначально был разработан для работы поверх UDP/IP, поэтому он будет также работать в сетях IP, Ethernet и 802.11 (Wi-Fi).

Благодаря модульности ACN легко расширяется. Одно из расширений, ANSI E1.31, также известное как Streaming ACN (sACN), используется для отправки DMX-данных через ACN-совместимые сети. В сравнении с Art-Net sACN поддерживает до 65535 DMX-областей.

Заключение

Методы создания световых шоу значительно эволюционировали с момента их появления. В аналоговую эпоху не было единого стандарта, но относительная совместимость интерфейсов смягчала проблему. С переходом на «цифру» появилось множество несовместимых проприетарных протоколов, которые были успешно вытеснены стандартизированным DMX512. На данный момент наблюдается переход DMX в среду Ethernet в виде двух конкурирующих протоколов E1.31 и Art-Net. Кто выйдет победителем — покажет время.

Что еще почитать по теме

T-Rex 28 сентября 2022

Книги по SQL: что почитать новичкам и специалистам

Собрали 6 книг, которые помогут на старте изучения SQL и при углублении в тему.
T-Rex 28 сентября 2022
T-Rex 21 сентября 2022

Гипервизор VMware ESXi: функции и отличия от ESX

В статье рассказываем о работе с гипервизором ESXi, его отличиях от ESX и vSphere.
T-Rex 21 сентября 2022
Андрей Салита 14 сентября 2022

Отличия TCP- и UDP-протоколов — определяем разницу на примерах

Рассматриваем два самых популярных протокола транспортного уровня — протоколы TCP и UDP — и сравниваем их.
Андрей Салита 14 сентября 2022

Новое в блоге

Михаил Фомин 24 июня 2022

Docker Swarm VS Kubernetes — как бизнес выбирает оркестраторы

Рассказываем, для каких задач бизнесу больше подойдет Docker Swarm, а когда следует выбрать Kubernetes.
Михаил Фомин 24 июня 2022
Владимир Туров 5 октября 2022

DBaaS: что такое облачные базы данных

Рассказываем о сервисе управляемых баз данных в облаке и объясняем, как разделяется ответственность за работу кластеров БД между провайдером и клиентом.
Владимир Туров 5 октября 2022
Ульяна Малышева 30 сентября 2022

«Нулевой» локальный диск. Как мы запустили облако только с сетевыми дисками и приручили Ceph

Чем хороши сетевые диски и почему именно Ceph, рассказал директор по развитию ядра облачной платформы Иван Романько.
Ульяна Малышева 30 сентября 2022
Валентин Тимофеев 30 сентября 2022

Как проходит онбординг сотрудников ИТО? Что нужно, чтобы выйти на смену в дата-центр

Рассказываем, как обучаем новых сотрудников, какие задачи и испытания проходят инженеры прежде, чем выйти на свою первую смену.
Валентин Тимофеев 30 сентября 2022